ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ НА БОЛОТАХ 2 И 3 ТИПА

Методология расчета трубопроводов, стандартизированная СП [1, с. 15], едина для всех грунтовых оснований. Разница в действии трубопроводов в условиях укладки в болотах заключается в том, что одна и та же труба перед воздействием на нее массы и продукта совершает движения вниз, что фактически исключено в обычных грунтах. Эти вспомогательные движения вызывают образование дополнительных усилий в трубе, не предопределенных ключевыми нагрузками и воздействиями, то есть давлением и разницей температур.

Исходя из концепции о размещении трубопровода, основывающейся на воздействии в части нагрузки, относительно неограниченного изгиба балки, от которого она уходит, имеет стабильную величину, но к концу имеется нестабильный изгиб.

На рисунке 1 (а) в качестве примера показан полный прогиб прямолинейного трубопровода 1420x20 мм на переходе через болото длиной 80 метров. Из рисунка 1 (а) можно сделать следующий вывод. Если трубопровод пересекает болото прямолинейно в профиле, то в результате осадки трубы под действием собственной массы и продукта наиболее напряженными являются сечения А и Б. Напряжения изгиба σ_изг в сечениях А и Б обусловлены тем, что в этих сечениях развиваются наибольшие изгибающие моменты М_изг. И чем больше осадка S_труб (прогиб у) трубы в центральной части болота, тем больше величина М_изг, соответственно σ_изг. На рисунке 1 (а) в качестве примера приведена эпюра М_изгтрубопровода 1420x20 мм. При q = 7,34 кН/м величина М_изг в сечениях А и Б при у_max = 106 мм составила М_изг =617 кН·м. Если определить дополнительные напряжения σ_изг по формуле 1, то при W =5092 см² для трубы 1420x20 мм получим σ_изг = 121,3 МПа.

Если трубопровод изготовлен, например, из широко применяемой трубной стали 17Г1С с σ_0,2 =353 МПа, то значение σ_изг =121,3 МПа составляет 34% от σ_0,2, что является очень большой дополнительной величиной для напряжений в трубопроводе от эксплуатационных нагрузок и воздействий.

Согласно рисунку 1 протяженность болота равна 80 метров. В действительных обстоятельствах протяженность переходов имеет протяженность от сотни метров до нескольких километров. Также имеет возможность меняться модуль деформации E₀, в зависимости от физико-механических свойств грунта. Подобным способом, значение прогибов трубопроводов в условиях болот, а также М_изг в сечениях А, Б имеют все шансы являться немало значительнее, нежели в рассмотренном варианте. Поэтому станут значительнее вспомогательные усилия σ_изг согласно формуле 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема, поясняющая метод прокладки трубопроводов в условиях болот

Стоит отметить то, что неравномерной осадки (прогибов) трубопроводов на болотах не избежать и величина ее может быть весьма различной. Также появление дополнительных изгибающих моментов М_изг и напряжений σ_изг в местах перехода прямолинейного трубопровода из минеральных грунтов в торф (в сечениях А и Б на рисунке 1, а) от осадки трубы следует исключить.

Суть технического решения по прокладке трубопроводов через болота в том, что в местах перехода из минерального грунта в болото профиль продольной оси трубопровода в исходном положении должен быть в относительном смысле зеркальным отображением эпюры прогибов трубопровода у.

Если на переходе через болото трубопровод необходимо проложить наземным способом в насыпи, то переход из подземного в наземный способ прокладки следует осуществить по кривой поворота с минимально допустимым из условия прочности радиусом упругого изгиба трубы (рисунок 1, б). При этом кривую поворота необходимо расположить в слое торфа и обеспечить совмещение ее начала с краями болота (сечения А и Б). В горизонтальной плоскости трубопровод следует уложить по поверхности болота под насыпью также с искривлением продольной оси упругим изгибом трубы с расположением вершины поворота примерно посередине перехода через болото (рисунок 1, в).

Если на переходе через болото трубопровод остается в подземном варианте, то вертикальную кривую изменения продольной оси трубы оставляют в слое торфа (рисунок 1, г). При этом превышение ∆h положения трубы в пределах болота над отметкой трубы на берегах болота должно составлять не менее величины максимальной прогнозируемой осадки трубы у_max [2, с. 95]:

Рассмотрим подробнее более общий случай прокладки трубопровода на болоте наземным способом в насыпи.

После определения границ участков, т.е. местоположения края болота (точка А) трубопровод упругим изгибом трубы выводится из подземного в наземный вариант прокладки по поверхности болота (рисунок 2). Упругий изгиб трубы создается отрывком траншеи по заданному профилю. Кривая поворота AC состоит из двух участков AM и МС, радиус упругого изгиба которых ρ₀ является минимальным из условия прочности трубы от расчетных эксплуатационных нагрузок и внутренних воздействий. Радиус ρ₀ определяется расчетом трубопровода с учетом совместной деформации трубы и окружающего грунта. В любом случае радиус ρ₀ при первом поверочном расчете можно принимать равным ρ_min.

Рисунок 2.  Изменение геометрических параметров трубопровода при его осадке на переходе через болото

В горизонтальной плоскости трубопровод, также упругим изгибом трубы, прокладывают по поверхности болота с искривлением оси по большому радиусу порядка ρ^г =2500 - 4000 м. При этом образуется начальная стрелка прогиба трубы f₀ , вершину которой следует совместить с серединой болота. Величины ρ^г, f₀ зависят от диаметра трубопровода, длины болота, давления продукта, температурного перепада и определяются расчетом для каждого конкретного случая.

Технология производства работ по данному методу не отличается от обычной. Способ не требует применение кривых вставок искусственного гнутья, придания трубопроводу выпуклой формы для создания в нем предварительных растягивающих напряжений, использования утяжелителей, гидронамыва и т.п. Сооружение трубопровода осуществляется обычным порядком стандартной строительной техникой. Насыпь над трубой устраивают согласно обычным требованиям [1, с. 15].

Как правило, трубопроводы через болота на севере прокладывают зимой.

В летнее время, по мере оттаивания болота, труба вместе с насыпью начинает перемещаться вниз; величина осадки S_труб (рисунок 1, а) зависит от диаметра трубопровода, мощности насыпи над трубой и торфа под трубой, от физико-механических характеристик торфа и т.д.

Следующим важным этапом является пуск трубопровода в эксплуатацию. При подаче продукта давлением р и с положительной температурой t, труба за счет температурного перепада ∆t удлиняется на некоторую величину ∆l. Удлинение трубы реализуется ее поперечным перемещением по поверхности торфа под насыпью, при этом стрелка прогиба изменяется от f₀ до f₀ + ∆f (рисунок 1, в) [3, с. 14].

В конечном итоге трубопровод перемещается одновременно вниз и в сторону, причем интенсивные перемещения по вертикали соответствуют периоду таяния (растепления) торфа под трубой и насыпью, а по горизонтали - периоду пуска трубопровода в эксплуатацию. В результате трубопровод занимает новое положение, показанное на рисунке 2 и 1 (б, в) штриховой линией.

Фактически участок трубопровода в пределах болота по данному способу прокладки является компенсатором, что положительно сказывается на работе трубопровода и о чем будет сказано ниже. Основание компенсатора ОА защемлено в минеральном грунте (рисунок 2), а его деформируемая часть располагается в торфе и под насыпью. Известно, что сопротивление торфа и насыпи поперечному перемещению трубы много меньше, чем минерального грунта природного сложения. Этот фактор используется для снижения напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопровода от эксплуатационных нагрузок.

НДС трубы должно удовлетворять требованиям СП [1, с. 15]. Показатели НДС определяют на стадии проектирования трубопровода подбором минимального радиуса упругого изгиба ρ₀ и расчетом на внутренние воздействия р и ∆t. При эксплуатации трубопровод занимает положение, показанное штриховой линией. При этом начальный радиус его упругого изгиба в вертикальной плоскости ρ₀ только возрастает до значения ρ_i, следовательно, и НДС трубы будет только уменьшаться [4, с. 271]. Перемещаясь в положение, показанное штриховой линией, трубопровод как бы разгружается, изгибные напряжения в его стенке уменьшаются, соответственно надежность конструкции возрастает.